Теплофизика. Методические указания по практическим занятиям

7.2Рабочий процесс в паровой турбине

Вступени турбины пар проходит по системе неподвижных и вращающихся каналов. Поэтому в зависимости от вида движения различают три скорости пара: с – абсолютная скорость движения пара; u – скорость переносного движения, равная окружной скорости диска турбины; w –

относительная скорость, т. е. скорость движения пара относительно движущейся лопатки.

Параметры пара (скорость, давление, температуру перед соплом, перед рабочими лопатками и за рабочими лопатками) отмечают индексами соответственно 0, 1, 2 (с0, р0, t0, с1, р1, t1, с2, р2, t3). Рассмотрим адиабатный процесс течения пара в ступени турбины. При течении пара в сопловом аппарате энергия пара преобразуется в кинетическую. Приращение кинетической энергии (Дж/кг) пара при выходе из сопла определяется

равенством

i0 i1T c12T 2 c022,

где c1T – теоретическая скорость на выходе из сопла.

Если принять, что перед соплами скорость c0 = 0, получим

где h1T – теоретический теплоперепад, соответствующий величине

В действительном процессе истечения часть кинетической энергии в результате потерь на трение переходит в тепло, так что истинная скорость c1

меньше теоретической.

Коэффициент, учитывающий потерю скорости, называют коэффициентом скорости и обозначают буквой . В современных турбинах значения коэффициента скорости составляют 0,93–0,98. Действительную скорость истечения можно определить по формуле

c1 c1T .

81

Реактивная турбина. На рисунке 7.3 показана схема реактивной ступени турбины. Сопловой аппарат представляет собой суживающиеся каналы 2,

образованные каждой парой неподвижных лопаток 1.В сопловом аппарате происходит частичное расширение пара от начального давления р0 до промежуточного давления р1 (р0 > р1). При этом в суживающихся соплах только часть внутренней энергии преобразуется в кинетическую. Профиль лопаток рабочего колеса реактивной ступени отличается от профиля лопаток активной ступени. Лопатки 3 реактивной ступени менее изогнуты и образуют суживающиеся каналы 4. Вследствие этого пар, вступая в них с абсолютной скоростью c1 и относительной w1, продолжает расширяться. При этом его давление падает от р1 до р2, вследствие чего возрастает относительная скорость пара от значений w1 до w2 (см. диаграмму на рисунке 7.3, сверху).

Усилия, вращающие диск и вал турбины, обусловлены реактивным действием движущегося канала рабочих лопаток, в котором происходит дальнейшее расширение пара от давления р1 до р2. Падение давления сопровождается ускорением пара по отношению к рабочим лопаткам. При этом возникает сила отталкивания – реактивная сила. Реактивная сила направлена против скорости вытекающей струи.

83

Работа и относительный КПД ступени турбины. При выходе из сопла пар с абсолютной скоростью c1 поступает в каналы рабочих лопаток. Поскольку рабочая лопатка изогнута, то струя пара, поступая на нее, изменяет свое направление. При этом создается окружное усилие, вращающее диск турбины.

Рассмотрим величину окружного усилия на рабочих лопатках турбины.

Обозначим массовый секундный расход пара в одной ступени m (кг/с). Тогда количество движения, которым обладает пар, входящий в каналы рабочих лопаток за 1 с, будет равно mc1, а которым обладает пар, выходящий из лопаток, – mс2.

Так как импульс силы Р за 1 с равен средней величине самой силы, то для рассматриваемого случая закон изменения количества движения можно выразить в виде векторного уравнения

84

Определим окружное усилие Р, созданное 1 кг пара, поступившим за 1 с на рабочие лопатки. Для этого из треугольников скоростей (см. рисунок 7.2)

найдем сумму проекций скоростей с1 и с2 на направление движения лопаток

(совпадающее с направлением окружной скорости):

Секундная работа пара может быть также выражена через относительные скорости струи пара. Для этого следует воспользоваться соотношениями,

вытекающими из треугольников скоростей (см. рисунок 7.2):

где c122 – кинетическая энергия, которой обладает единица массы пара при входе на рабочие лопатки; c222 – неиспользованная в данной ступени кинетическая энергия отработавшего пара при выходе с рабочей лопатки,

называемая выходной потерей.

85

В реальной турбине не все тепло, поступившее на рабочие лопатки,

преобразуется в работу. Часть его неизбежно теряется на трение пара о стенки сопл и лопаток, завихрения и потери с выходной скоростью с2. Степень совершенства рабочего процесса в действительной турбине характеризуется относительным КПД, который определяется отношением секундной работы l,

произведенной 1 кг пара, к располагаемому теплоперепаду h0:

Чем больше относительный КПД 0, тем совершеннее работа турбины.

Значение относительного КПД 0 для активной ступени определяется формулой Банки:

Поскольку коэффициенты скорости и , а также угол входа 1 для данной турбины имеют постоянное значение, то из формулы (7.11) следует, что относительный КПД является функцией только отношения окружной скорости и к абсолютной с1, т. е.

0 f uc1 .

В идеальном случае, когда = = 1 в активной турбине при 1 = 0 и при условии, что весь располагаемый теплоперепад h0 превращается в работу, т. е.0 1, отношение

uc1 l2.

В этом случае окружная скорость лопаток рабочего колеса равна половине абсолютной скорости c1 входа пара в каналы рабочих лопаток, т. е. и = 0,5 с1 .

86

7.3. Мощность и КПД паровой турбины

Потери в турбине. В паровой турбине, кроме рассмотренных потерь с выходной скоростью отработавшего пара, есть потери, которые уменьшают полезную работу. Эти потери делят на внутренние и внешние. Внутренние потери возникают в проточной части турбины и снижают используемый теплоперепад. К ним относят:

1) потери кинетической энергии в соплах и на рабочих лопатках турбины,

вызванные трением о стенки, завихрение струи пара и удар. Однако в активных турбинах эта энергия превращается в тепло и в конце процесса несколько повышает энтальпию пара;

2)потери от утечки пара через внутренние зазоры между рабочими лопатками и корпусом турбины, между диафрагмой и валом в активных турбинах со ступенями давления и через радиальные зазоры в реактивных турбинах;

3)потери вследствие влажности пара, возникающие в последних ступенях конденсационных турбин. Частицы влаги имеют большую плотность, чем частицы сухого пара. Их относительная скорость направлена не по касательной

квходной кромке лопаток, а ниже. Ударяясь о стенки лопаток, частицы жидкости тормозят вращение ротора и снижают работу, полученную лопатками.

К внешним потерям относят:

1)потери от утечки пара через концевые зазоры между корпусом турбины и выходящими из него концами рабочего вала. Поскольку корпус неподвижен,

а вал вращается, то между валом и корпусом предусмотрен зазор, через который вытекает незначительная часть пара. Эти потери, очевидно, не влияют на энтальпию пара, а лишь несколько увеличивают его общий расход;

2) механические потери, которые состоят из затрат энергии на преодоление трения в опорных и упорных подшипниках турбины, в опорных подшипниках генератора (или другой машины, соединенной с валом турбины), на привод

системы регулирования и т. п.

87

Мощность турбины. В паровых турбинах различают внутреннюю

(индикаторную) мощность Ni , развиваемую лопатками турбины, и

эффективную Ne, снимаемую с вала турбины. Если внутреннюю мощность сравнить с мощностью N0, развиваемой идеальной турбиной, работающей без потерь, то всегда Ni N0 на величину внутренних потерь. Эффективная мощность всегда меньше внутренней на величину мощности Nм , затраченной

на механические потери:

Ne Ni Nм.

Коэффициенты полезного действия турбины. Внутренний относительный КПД учитывает внутренние потери турбины и определяется отношением

0i Ni N0.

Относительный эффективный КПД 0i учитывает механические потери и определяется отношением

Ne N0e Ne N0.

Оба эти коэффициента называют относительными, потому что их величина определяется по отношению к идеальному двигателю.

Так как идеальный двигатель по второму закону термодинамики имеет термический КПД t < 1, то абсолютный КПД реальной машины будет меньше относительного:

абс t отн.

Отбрасывая индекс «абсолютный», получим КПД для реальных

двигателей:

i 0i t , e 0e t.

Коэффициенты полезного действия определяют степень совершенства двигателя, дают возможность сравнивать различные двигатели между собой и

совершенствовать их.

88

Расход пара в турбине. Экономичность паровой турбины характеризуется, с одной стороны, ее КПД, а с другой – расходом пара на единицу электроэнергии (удельным расходом пара).

Для определения удельного расхода пользуются электрической мощностью Nэ, снимаемой с зажимов генератора. Удельный расход пара,

отнесенный к единице вырабатываемой электрической мощности, равен

dэ 3600 i0 i2 ,

или

dэ D Ne D N0 0э ,

где D – секундный расход пара, кг/с.

7.4 Классификация паровых турбин

По назначению турбины делят на чисто конденсационные с противодавлением, конденсационные с промежуточным отбором пара.

В чисто конденсационных турбинах пар расширяется до очень низких давлений (0,03–0,04 атм.). Однако общий КПД паросиловой установки весьма мал. Даже при высоких параметрах пара он едва достигает 35–38 %. Это объясняется большой потерей тепла, уходящего с отработавшим паром в конденсатор.

Турбины с противодавлением, не имеющие конденсатора, часто работают параллельно с конденсационными турбинами, которые обеспечивают недостающую часть электрической энергии в часы пиковых нагрузок.

Конденсационные турбины с промежуточным отбором пара позволяют поддерживать в заданных пределах постоянство суммы тепловой и электрической нагрузок. Это значит, что в зависимости от потребления тепла можно отбирать пар в нужном количестве. Если требуется выдать больше тепла

(например, зимой), то отбирается больше пара и соответственно уменьшается выработка электрической энергии. Когда уменьшается потребность в тепле

(летом, ночью и т. д.), то отбирается меньше пара и соответственно

89

вырабатывается больше электрической энергии. Отбираемая часть пара для выработки тепла имеет давление выше атмосферного.

Одна часть пара используется в производстве для технологических целей,

а другая направляется в водоподогреватель (бойлер) для подогрева воды,

предназначенной как для производственных целей, так и для отопления.

Конденсат из водоподогревателя возвращается обратно в паровой котел.

Конденсационные турбины с промежуточным отбором пара могут работать и

как чисто конденсационные.

7.5 Конденсационные устройства

Основным аппаратом конденсационного устройства является конденсатор,

в котором пар конденсируется охлаждающей водой. К вспомогательному оборудованию относятся циркуляционные насосы, прокачивающие охлаждающую воду; конденсатные насосы, забирающие из сборника конденсат и подающие его в систему регенерации турбины, а также эжекторы,

отсасывающие воздух из конденсатора. Эжектор – пароструйный насос.

Принцип работы пароструйного насоса основан на том, что струя пара,

выбрасываемая в атмосферу, предварительно проходит специальную камеру,

увлекает за собой воздух, находящийся в ней, создавая в камере разрежение.

Конденсатор соединен с камерой трубопроводом, по которому из конденсатора

откачивается воздух.

Существует два типа конденсаторов: смешивающие и поверхностные.

разрежение в конденсаторе. Кроме того, конденсат не может использоваться в качестве питательной воды, поскольку он загрязнен солями охлаждающей воды.

90